ヘリウム3
ヘリウム3
低圧ヘリウム3のガラスアンプル内の放電
一般的な
シンボル3彼
名前ヘリウム3、トラルフィウム（旧式）
陽子（Z）2
中性子（N）1
核種データ
自然の豊かさ0.000137% (大気) [ 1 ] 0.01% (太陽系)
半減期（t 1/2）安定した
同位体質量3.016 029 322 [ 2 ]ダ
スピン⁠1/2⁠  ħ
親同位体3 H  （トリチウムのベータ崩壊）
ヘリウムの同位体核種の完全な表
原子核は、プラス記号が刻まれた2つの赤い円と、何も刻まれていない1つの紫色の円で表されます。原子核の周りには、電子殻を表す黒いリングがあります。その上には、マイナス記号が刻まれた2つの青緑色の円があり、電子を表しています。
ヘリウム3原子の図

ヘリウム3（3 He [ 3 ] [ 4 ]ヘリオンも参照）は、陽子2個と中性子1個を持つヘリウムの軽い安定同位体です。（対照的に、最も一般的な同位体であるヘリウム4は、陽子2個と中性子2個を持ちます。）ヘリウム3と水素1は、中性子よりも陽子の数が多い唯一の安定核種です。ヘリウム3は1939年に発見されました。ヘリウム3原子はフェルミオン性で、2.491 mKの温度で 超流動状態になります。

ヘリウム3は原始核種として存在し、数百万年かけて地殻から大気圏、そして宇宙空間へと放出された。また、天然核生成核種および宇宙線生成核種であると考えられており、リチウムが天然中性子と衝突することで生成される。天然中性子は、自発核分裂や宇宙線との核反応によって放出される。地球の大気圏に存在するヘリウム3の一部は、大気圏および海底核兵器実験の残骸である。

ヘリウム3を用いた核融合は、長い間、将来の望ましいエネルギー源と考えられてきました。ヘリウム3原子2個の核融合は非中性子反応であり、つまり従来の核融合のように危険な放射線を放出したり、はるかに高い温度を必要としたりすることはありません。[ 5 ]このプロセスでは、周囲の物質を放射性化させるような他の反応が避けられない可能性があります。[ 6 ]

ヘリウム3は、数十億年かけて太陽風によって表土の上層に堆積したため、地球よりも月で豊富に存在すると考えられていますが、 [ 7 ]太陽系のガス惑星に比べるとその量は少ないです。[ 8 ] [ 9 ]

歴史

ヘリウム3の存在は、1934年にオーストラリアの原子物理学者マーク・オリファントがケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所で研究していたときに初めて提唱されました。オリファントは、高速重陽子を重陽子標的に衝突させる実験を行っていました（ちなみに、これは核融合の最初の実証でした）。[ 10 ]ヘリウム3の単離は、1939年にルイス・アルバレスとロバート・コルノグによって初めて達成されました。 [ 11 ] [ 12 ]ヘリウム3は、地球の大気と天然ガス井から採取された天然ヘリウム（主にヘリウム4）のサンプルにも見つかるまで、放射性同位体であると考えられていました。[ 13 ]

物理的特性

ヘリウム3は原子質量が3.016 Daと低いため 、質量が4.0026 Daのヘリウム4とは物理的性質が異なります。ヘリウム原子間の弱い誘起双極子間相互作用のため、それらの微視的物理的性質は主に零点エネルギーによって決定されます。また、ヘリウム3の微視的性質により、ヘリウム4よりも零点エネルギーが高くなります。これは、ヘリウム3がヘリウム4よりも少ない熱エネルギーで双極子間相互作用を克服できることを意味しています。

ヘリウム 3 とヘリウム 4 に対する量子力学的効果は大きく異なります。ヘリウム 4 は陽子 2 個、中性子 2 個、電子 2 個で構成され、全体的なスピンがゼロとなりボソンになりますが、ヘリウム 3 は中性子が 1 個少ないため全体的なスピンが半分となりフェルミオンになります。

純粋なヘリウム3の沸騰温度は3.19  Kであるのに対し、ヘリウム4は4.23 Kです。また、臨界点も3.35 Kと、ヘリウム4の5.2 Kよりも低くなっています。ヘリウム3の沸点における密度は、ヘリウム4の半分以下で、1気圧における密度は59 g/Lであるのに対し、ヘリウム4は125 g/Lです。蒸発潜熱も0.026  kJ/molと、ヘリウム4の0.0829 kJ/molよりもかなり低くなっています。[ 14 ] [ 15 ]

超流動性

ヘリウム3の相図（「bcc」は体心立方結晶格子を示します。）

ヘリウム3原子の重要な特性は、より一般的なヘリウム4原子と区別するために、スピン1 ⁄ 2の粒子を奇数個含み、したがって複合フェルミオンであることです。これは、量子化された角運動量の加法則の直接的な結果です。対照的に、ヘリウム4原子はボソンであり、スピン1 ⁄ 2の粒子を偶数個含みます。1/2⁠粒子。低温（約2.17 K）では、ヘリウム4は相転移を起こし、その一部が超流動相となり、これはおおよそボーズ・アインシュタイン凝縮体の一種として理解される。このようなメカニズムは、フェルミオン性のヘリウム3原子では利用できない。多くの人が、原子がBCS超伝導理論のクーパー対に類似した対を形成すれば、ヘリウム3もずっと低い温度で超流動体になるのではないかと推測した。整数スピンを持つ各クーパー対は、ボソンと考えることができる。1970年代に、デビッド・リー、ダグラス・オシェロフ、ロバート・コールマン・リチャードソンは、融解曲線に沿って2つの相転移を発見し、それはすぐにヘリウム3の2つの超流動相であることが認識された。[ 16 ] [ 17 ]超流動への転移は、融解曲線上の2.491ミリケルビンで起こる。彼らはこの発見により1996年のノーベル物理学賞を受賞しました。アレクセイ・アブリコソフ、ヴィタリー・ギンツブルグ、トニー・レゲットは、ヘリウム3の超流動相に関する理解を深めた研究により、2003年のノーベル物理学賞を受賞しました。[ 18 ]

ゼロ磁場では、3 He には A 相と B 相という 2 つの異なる超流動相が存在します。B 相は低温、低圧の相で、等方的なエネルギーギャップがあります。A 相はより高温、高圧の相で、磁場によってさらに安定化され、ギャップに 2 つの点ノードがあります。2 つの相が存在することは、3 He が非従来型超流動 (超伝導体) であることを明確に示しています。2 つの相が存在するには、ゲージ対称性以外のもう 1 つの対称性が破られる必要があるためです。実際、これは p 波超流動であり、スピン 1、S = 1 ħ、角運動量 1、L = 1 ħです。基底状態は全角運動量ゼロ、J = S + L = 0 (ベクトルの加算) に対応します。全角運動量がゼロでない励起状態 ( J > 0 )が発生する可能性があり、これは励起対集団モードです。これらの集団モードは、超流動ヘリウム3の極めて高い純度のため、他のいかなる非従来型対系よりもはるかに高い精度で研究されてきました。この純度は、ヘリウム4相がすべて完全に分離し、他のすべての物質が固化して液体の底に沈むことに起因しており、ヘリウム3のA相とB相は、考え得る最も純粋な凝縮物質状態となっています。

自然の豊かさ

陸上の豊かさ

3 Heは地球のマントルに存在する原始物質であり、惑星形成初期に閉じ込められたと考えられています。地球の地殻とマントルにおける3 Heと4 Heの比は、太陽面における比よりも低く（隕石と月のサンプルを用いた推定）、地球上の物質は放射性崩壊によって4 Heが生成されることから、一般的に3 He/ 4 He比が低くなっています。

3 He の宇宙論的比率は4 Heの百万原子あたり 300 原子であり[ 19 ] 、地球形成時のマントル内のこれらの原始ガスの元々の比率は約 200～300 ppm であったと推測されます。地球の歴史を通じて、ウラン、トリウム、その他の放射性同位体のアルファ崩壊によって大量の4 He が生成され、現在マントル内にあるヘリウムのうち原始ヘリウムは約 7% にまで低下しています。[ 19 ]そのため、 3 He: 4 He の総比率は約 20 ppm まで低下しています。 3 He: 4 He の比率が大気の比率を超える場合は、マントルから3 Heが寄与していることを示しています。地殻の供給源は、放射性崩壊によって生成された 4 He が大部分を占め ています。

地球上の天然資源におけるヘリウム3とヘリウム4の比率は大きく異なります。[ 20 ] [ 21 ]サウスダコタ州エジソン鉱山のリチウム鉱石スポジュメンのサンプルには、ヘリウム3が12ppm、ヘリウム4が100万ppm含まれていることがわかりました。他の鉱山のサンプルでは、​​2ppmでした。[ 20 ]

ヘリウム自体は、天然ガス源によっては最大7%含まれており[ 22 ]、大規模な源では0.5%以上含まれています（0.2%を超えると抽出可能になります）。[ 23 ]米国で天然ガスから分離されたヘリウム中の3 Heの割合は、70～242 ppmの範囲であることがわかりました。 [ 24 ] [ 25 ]したがって、2002年の米国の備蓄10億標準m 3には、約12～43 kg（26～95ポンド）のヘリウム3が含まれていたことになります。アメリカの物理学者リチャード・ガーウィンによると、米国の天然ガスストリームから分離するために、年間約26立方メートル（920立方フィート）、つまり約5 kg（11ポンド）の3 Heが利用可能です。3ヘリウムを分離するプロセスで、バルク輸送や貯蔵に通常使用される液化ヘリウムを原料として使用できる場合、増分エネルギーコストの推定値はインフラや設備の費用を除いて、NTPは34～300 /Lである。 [ 24 ]アルジェリアの年間ガス生産量は1億立方メートルと推定されており[ 23 ]、これには7 m 3 と 24 m 3のヘリウム3（約同様の3 He 分率 を仮定すると、1 ～ 4 kg となります。

3 Heは地球の大気中にも存在します。大気中のヘリウム中の3 Heの自然存在比は1.37 × 10 −6（1.37 ppm）[ 1 ]地球の大気中のヘリウムの分圧は約0.52 Paであり、したがってヘリウムは全圧力の5.2 ppmを占めます（地球の大気中のヘリウムの質量は101 325  Paで、ヘリウム3は大気の7.2兆分の1を占める。地球の大気の質量は約5.14 × 10 18  kg、[ 26 ]地球の大気中の3 Heの質量はこれらの数値とヘリウム3と空気の分子量比（3.016対28.95）の積であり、地球の大気中のヘリウム3の質量は3815トンとなります。

地球上では、3 Heはリチウム破砕、宇宙線、そしてトリチウム（3 H）のベータ崩壊という3つの発生源から生成されます。宇宙線からの寄与は、最古のレゴリス物質を除くすべての物質において無視できるほど小さく、リチウム破砕反応による寄与は、アルファ粒子放出による4 Heの生成よりも小さいです。

マントル中のヘリウム3の総量は0.1～1メガトンの範囲にあると考えられます。一部のヘリウム3はハワイ諸島などの深部ホットスポット火山から上昇しますが、年間300グラムが大気中に放出されている。中央海嶺はさらに年間3キログラムを放出している。沈み込み帯の周辺では、様々な発生源から天然ガス鉱床中にヘリウム3が生産されており、そこにはおそらく1000トンのヘリウム3が含まれている（ただし、すべての古代の沈み込み帯にそのような鉱床があれば、2万5000トンになるかもしれない）。ウィッテンバーグは、米国の地殻天然ガス源には合計でわずか0.5トンしか含まれていない可能性があると推定している。[ 27 ]ウィッテンバーグは、アンダーソンによる海底の惑星間塵粒子にさらに1200トンが含まれているという推定を引用している。 [ 28 ] 1994年の研究では、これらの発生源からヘリウム3を抽出するには、核融合で放出されるエネルギーよりも多くのエネルギーが消費される。[ 29 ]

月

月面の物質には、太陽光が当たる場所では1.4～15ppbの濃度のヘリウム3が含まれており、[ 30 ] [ 31 ] 、永久影の地域では50ppbもの濃度になることもあります。 [ 9 ] 1986年のジェラルド・クルチンスキー氏を皮切りに、 [ 32 ]多くの人々が月を探査し、月の表土を採掘してヘリウム3を核融合に利用することを提案してきました。ヘリウム3の濃度が低いため、採掘装置は非常に大量の表土を処理する必要があります（1グラムのヘリウム3を得るために150トン以上の表土が必要）。[ 33 ]

2008年10月22日に打ち上げられたインド宇宙研究機関の最初の月探査機「チャンドラヤーン1号」の主な目的は、月面のヘリウム3を含む鉱物の地図作成であるといくつかの情報源から報告されている。[ 34 ]プロジェクトの公式目標リストにはそのような目的は記載されていないが、多くの科学的ペイロードがヘリウム3関連の用途に使用されている。[ 35 ] [ 36 ]

中国科学院の宇宙化学者で地球化学者であり、現在中国の月探査計画を担当している欧陽子源氏は、この計画の主要目標の一つはヘリウム3の採掘であると何度も述べており、その採掘によって「毎年3回のスペースシャトルミッションで世界中の全人類に十分な量の燃料を供給することができる」と述べている。[ 37 ]

2006年1月、ロシアの宇宙企業RKKエネルギアは、資金が確保できれば、月のヘリウム3を2020年までに採掘できる潜在的な経済資源と見なしていると発表した[ 38 ] 。 [ 39 ] [ 40 ]

月のヘリウム3の抽出が実現可能だと信じているライターは皆無ではない。核融合発電のための需要があると考えているライターもいる。ドウェイン・デイは2015年にスペース・レビュー誌に寄稿し、核融合発電のために月からヘリウム3を抽出することは、実証されていない技術に関する空想的な考えだとし、地球上での生産と比較して、月でのヘリウム3抽出の実現可能性に疑問を呈している。[ 41 ]

巨大ガス惑星

ヘリウム3をガス惑星から採掘することも提案されている。 [ 42 ]例えば、 英国惑星協会の仮説的なダイダロス計画の星間探査機の設計では、木星の大気中にヘリウム3鉱山を建設して燃料を補給する予定であった。

太陽系星雲（原始）の存在量

原始的な太陽系星雲中の3 He と4 Heの比率に関する初期の推定値の 1 つは、木星の大気中でのその比率の測定であり、ガリレオ大気突入探査機の質量分析計によって測定された。この比率は約 1:10000、 [ 43 ]または4 He 100 万部あたり3 He 100 部である。これは、 28 ppm のヘリウム 4 と 2.8 ppb のヘリウム 3 を含む月のレゴリスの同位体比率とほぼ同じである (これは、約 1.4 ～ 15 ppb の範囲で変化する実際のサンプル測定値の下限にあたる)。地球上の同位体比率は 100 分の 1 に低下し、これは主に、ウラン、トリウムおよびそれらの崩壊生成物と絶滅した放射性核種からの数十億年にわたるアルファ崩壊によって、マントル内のヘリウム 4 の蓄積が濃縮されているためである。

人間の生産

トリチウム崩壊

現在産業界で使用されているヘリウム 3 のほぼすべては、自然存在比が非常に低く、コストが非常に高いことから、 トリチウムの放射性崩壊によって生成されています。

アメリカ合衆国におけるヘリウム3の生産、販売、流通は、米国エネルギー省（DOE）のDOE同位体プログラムによって管理されている。[ 44 ]

トリチウムの半減期は実験的に決定されたいくつかの異なる値があるが、NISTは4500 ± 8日（12.32 ± 0.02年）。[ 45 ]ベータ崩壊によりヘリウム3に崩壊し、その原子核反応は次のようになります。

3 1H → 3 2彼1歳以上 + e− + νe

放出されるエネルギーのうち、18.6 keVでは、電子の運動エネルギーが占める割合は平均してトリチウムのベータ崩壊は5.7 keVのエネルギーしか放出せず、残りのエネルギーはほぼ検出できない電子反ニュートリノによって奪われます。 トリチウムからのベータ粒子は空気を約6.0ミリメートル（0.24インチ）しか透過できず、人間の皮膚の最外層を通過することはできません。[ 46 ]トリチウムのベータ崩壊で放出されるエネルギーが異常に低いため、この崩壊は（レニウム187の崩壊と同様に）実験室でのニュートリノの絶対質量測定に適しています（最新の実験はKATRINです）。

トリチウムの放射線のエネルギーが低いため、液体シンチレーション計測法以外でトリチウム標識化合物を検出することは困難です。

トリチウムは水素の放射性同位体であり、通常は原子炉内でリチウム6に中性子を照射することで生成されます。リチウム原子核は中性子を吸収し、ヘリウム4とトリチウムに分裂します。トリチウムは半減期でヘリウム3に崩壊します。12.3年なので、トリチウムを放射性崩壊するまで貯蔵するだけでヘリウム3を生成できます。トリチウムは酸素と安定した化合物（トリチウム水）を形成しますが、ヘリウム3はそうではないため、貯蔵・回収プロセスによって貯蔵物質から 放出されるガスを継続的に回収することができます。

トリチウムは核兵器の重要な構成成分であり、歴史的には主にこの用途のために生産・備蓄されてきました。トリチウムがヘリウム3に崩壊すると核融合弾頭の爆発力が低下するため、蓄積されたヘリウム3は定期的に弾頭貯蔵庫と貯蔵庫内のトリチウムから除去する必要があります。この過程で除去されたヘリウム3は、他の用途に販売されています。

数十年にわたり、ここは世界のヘリウム3の主な供給源であり続けている。[ 47 ] 1991年のSTART I条約の調印以来、使用準備が整った核弾頭の数は減少している。[ 48 ] [ 49 ]これにより、この供給源から入手できるヘリウム3の量は減少している。ヘリウム3の備蓄量は、主に中性子放射線検出器や医療診断手順での使用に対する需要の増加によってさらに減少している。米国のヘリウム3の産業需要は、70,000リットル （約2008年にはヘリウム3の需要は年間約8kgに達した。オークション価格は歴史的には1リットルあたり約100ドルだったが、最高で1リットルあたり2000ドルに達した。[ 50 ] それ以来、ヘリウム3の需要は、コストの高さとエネルギー省によるリサイクルと代替品探しの努力により、年間約6000リットルに減少した。密度を114 g/m 3 のヘリウム3が100ドル/Lの場合、トリチウムの約30分の1の価格になります（約880ドル/gに対して約114 g/m 3）。1リットルあたり2000ドルのヘリウム3は、トリチウムの約半分の価格（1グラムあたり3万ドル）である。17 540 /g vs. $30000 /g） 。

DOEは、トリチウムとヘリウム3の両方の不足が深刻化していることを認識し、2010年にテネシー川流域開発公社のワッツ・バー原子力発電所でリチウム照射によるトリチウムの製造を開始しました。 [ 24 ]このプロセスでは、セラミック状のリチウムを含むトリチウム製造可燃性吸収棒（TPBAR）を通常のホウ素制御棒の代わりに原子炉に挿入します。[ 51 ]定期的にTPBARを交換し、トリチウムを抽出します。

現在、トリチウム生産に使用されている商用原子炉はワッツ・バー原子力発電所1号機と2号機の2基のみであるが、必要に応じて、国内の原子炉をさらに活用するだけで、このプロセスを大幅にスケールアップし、考えられるあらゆる需要を満たすことができる。CANDU原子炉の重水減速材からも、相当量のトリチウムとヘリウム3を抽出することができる。 [ 24 ] [ 52 ]重水炉の保有量が世界最大であるインドとカナダは、どちらも減速材/冷却材の重水からトリチウムを抽出していることが知られているが、その量はトリチウムやヘリウム3の世界的需要を満たすには全く不十分である。

トリチウムは軽水炉の様々なプロセスで意図せず生成されるため（詳細は「トリチウム」を参照）、これらの発生源からの抽出もヘリウム3の新たな発生源となり得る。ラ・アーグ再処理施設におけるトリチウムの年間排出量（2018年のデータ）を基準とすると、排出量（回収率が100％に達したとしても、ラ・アーグでは31.2グラムしか採れず、需要を満たすには全く足りない。

原子力施設からのトリチウムの年間排出量[ 53 ]
位置原子力施設最も近い海域液体（TBq）蒸気（TBq）合計（TBq）合計（mg）年
イギリスヘイシャム原子力発電所Bアイリッシュ海3962.13981,1152019
イギリスセラフィールド再処理施設アイリッシュ海423564791,3422019
ルーマニアチェルナヴォダ原子力発電所1号機黒海1401522928722018
フランスラ・アーグ再処理工場イギリス海峡11,4006011,46032,1002018
韓国月城原子力発電所東海10780.91886712020年[ 54 ]
台湾馬鞍山原子力発電所ルソン海峡359.4441232015
中国福清原子力発電所台湾海峡520.8521462020
中国三門原子力発電所東シナ海200.420562020
カナダブルース原子力発電所A、B五大湖7569941,7504,9012018
カナダダーリントン原子力発電所五大湖2202104301,2042018
カナダピカリング原子力発電所1～4号機五大湖1403004401,2322015
アメリカ合衆国ディアブロキャニオン発電所ユニット1、2太平洋822.7842352019

用途

ヘリウム3スピンエコー

ヘリウム3は表面ダイナミクスのスピンエコー実験に使用でき、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所の表面物理学グループとスウォンジー大学化学学部で実験が行われている。

中性子検出

ヘリウム3は、中性子検出装置において重要な同位体です。熱中性子ビームに対する吸収断面積が大きく、中性子検出器のコンバーターガスとして使用されます。中性子は核反応によって変換されます。

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV

荷電粒子であるトリチウムイオン（T、3H）と水素イオン、または陽子（p、1H ）に変換され、比例計数管またはガイガーミュラー管の停止ガス中に電荷雲を生成することによって検出されます。[ 55 ]

さらに、吸収過程はスピンに強く依存しており、スピン偏極したヘリウム3は、一方のスピン成分を持つ中性子を透過させながら、もう一方のスピン成分を吸収することができる。この効果は、物質の磁気特性を調べる技術である中性子偏極分析に利用されている。 [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]

米国国土安全保障省は、輸送コンテナに密輸されたプルトニウムを中性子放出によって発見するための検出器を配備することを望んでいたが、冷戦後の核兵器生産の縮小に伴う世界的なヘリウム3の不足により、これはある程度妨げられた。[ 60 ] 2012年時点で、国土安全保障省はホウ素10 の商業的供給が中性子検出インフラをその技術に転換するのに役立つと判断した。[ 61 ]

極低温学

ヘリウム3冷凍機は、実験物理学において約0.2ケルビンまでの温度を得るために用いられる装置である。[ 62 ] 1-Kポットは、ヘリウム4の蒸発冷却によって、ヘリウム3ポットと呼ばれる小型容器内の少量のヘリウム3を液化する。液体ヘリウム3の低圧蒸発冷却は、通常、吸着によって行われる。ヘリウム3は高価なため、損失を避けるために通常は密閉系に封入されており、ヘリウム3ポットを1ケルビン未満の温度まで冷却する。

希釈冷凍機はヘリウム3とヘリウム4の混合物を使用して、数千分の1ケルビンという極低温に到達します。 [ 63 ]

核磁気共鳴

ヘリウム3の核は固有の核スピンを持ちます。1/2⁠  ħ、そして比較的高い磁気回転比 を有する。そのため、核磁気共鳴（NMR）を用いてヘリウム3を観測することが可能です。この分析技術は、通常3 He-NMRと呼ばれ、ヘリウム含有化合物の同定に使用できます。しかし、ヘリウム4（それ自体はNMR活性ではない）と比較してヘリウム3の存在量が少ないという制約があります。

ヘリウム3は、スピン交換光ポンピングなどの非平衡手段を用いて超偏極させることができる。 [ 64 ]このプロセスでは、適切な波長に調整された円偏光赤外線レーザー光を用いて、密閉されたガラス容器内のセシウムやルビジウムなどのアルカリ金属の電子を励起する。角運動量は、衝突を通じてアルカリ金属の電子から希ガスの原子核へと伝達される。本質的には、このプロセスは核スピンを磁場と効果的に整合させ、NMR信号を増強する。

超分極ガスは10気圧の圧力で最大100時間保存できます。吸入後、超分極ヘリウム3ガスを含む混合ガスはMRIスキャナーで撮影し、肺換気の解剖学的および機能的画像を作成できます。この技術は、気道樹の画像化、換気されていない欠陥の特定、肺胞酸素分圧の測定、換気/灌流比の測定も可能です。この技術は、慢性閉塞性肺疾患（COPD）、肺気腫、嚢胞性線維症、喘息などの慢性呼吸器疾患の診断と治療管理に非常に重要となる可能性があります。[ 65 ]

ヘリウム原子1個、あるいは2個のヘリウム原子がフラーレンのようなケージに閉じ込められるため、この元素のNMR分光法は、周囲の炭素骨格の変化を敏感に検出するプローブとなり得る。[ 66 ] [ 67 ]炭素13NMRを用いてフラーレン自体を分析することは、最も単純で対称性の高い構造の場合を除き、炭素間に非常に多くの微妙な違いがあるために複雑である。

トカマクプラズマ実験用電波エネルギー吸収体

MITのアルカトールC-Modトカマクとジョイント・ヨーロピアン・トーラス（JET）はともに、水素-重水素プラズマに少量のヘリウム3を添加して、無線周波数（RF）エネルギーの吸収を高め、水素イオンと重水素イオンを加熱する「3イオン」効果の実験を行った。[ 68 ] [ 69 ]

核燃料

異なる反応における中性子性の比較[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]
反応物 製品 質問n/MeV
第一世代の核融合燃料 2D + 2D​​3彼+1 0n3.268 MeV0.306
2D + 2D​3 T +1 1p4.032 MeV0
2D + 3T​4彼+1 0n17.571 MeV0.057
第二世代核融合燃料 2 D + 3 He4彼+1 1p18.354 MeV0
2Dバーニングの正味結果（最初の4行の合計） 6 2 D2( 4 He + n + p) 43.225 MeV0.046
第三世代核融合燃料 3ヘ + 3ヘ4彼+ 21 1p12.86 MeV0
11 B +1 1p3 4彼8.68 MeV0
現在の核燃料 235ウ+n2 FP + 2.5n 約200MeV0.0075

3 Heは低温核融合によって生成できる （Dp）2 H + 1 p → 3 He + γ + 4.98 MeV。核融合温度がヘリウム原子核の核融合温度よりも低い場合、反応によって高エネルギーのアルファ粒子が生成され、これが急速に電子を獲得して安定した軽いヘリウムイオンを生成します。このヘリウムイオンは危険な中性子を生成することなく、直接電源として利用できます。

核融合反応率は温度とともに急速に増加し、最大に達した後、徐々に低下します。DT反応率は、核融合エネルギーとして一般的に考えられる他の反応よりも低い温度（約70keV、つまり8億ケルビン）でピークに達し、高い値を示します。

3 He は、 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18.3  MeV、または3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p + 12.86 MeV のいずれかの反応によって核融合反応に使用できます

従来の重水素＋三重水素（「D-T」）核融合プロセスでは、高エネルギー中性子が生成され、放射化生成物によって原子炉部品が放射性化されます。ヘリウム3核融合の魅力は、その反応生成物が非中性子性であることにあります。ヘリウム3自体は非放射性です。唯一の高エネルギー副産物である陽子は、電場と磁場によって封じ込めることができます。この陽子の運動エネルギー（核融合プロセスで生成される）は、封じ込める電磁場と相互作用し、結果として直接的な正味電力を生成します。[ 75 ]

クーロン障壁が高いため、 2 H + 3 He核融合に必要な温度は、従来のD-T 核融合よりもかなり高くなります。さらに、核融合するには両方の反応物を混ぜる必要があるため、同じ反応物の原子核同士の反応が起こり、D-D 反応 ( 2 H + 2 H ) では中性子が生成されます。反応速度は温度によって異なりますが、D- 3 He反応速度が D-D 反応速度の 3.56 倍を超えることはありません (グラフを参照)。したがって、適切な温度の D- 3 He燃料と D が希薄な燃料混合物を使用した核融合では、D-T 核融合よりもはるかに低い中性子束を生成できますが、クリーンではなく、その主な魅力の一部が打ち消されます。

2つ目の可能性、すなわち3 He同士の融合（ 3 He + 3 He）は、さらに高い温度を必要とするため（両方の反応物の電荷が+2であるため）、D- 3 He反応よりもさらに困難です。この反応は中性子を生成しない理論的な反応です。生成された荷電陽子は電場と磁場に閉じ込められ、直接電気を生成します。3 He + 3 He融合は実験室で実証されているように実現可能であり、大きな利点がありますが、商業的に実現可能になるには何年も先のことです。[ 76 ]

従来の燃料の代替として必要なヘリウム3の量は、現在利用可能な量と比較してかなり大きい。 2 D + 3 He反応で生成されるエネルギーの総量は18.4 M eVで、 3 He 3 グラム（1 モル）あたり約 493 メガワット時（4.93×10 8 W·h）に相当する。もし、このエネルギーの総量を 100% の効率で電力に変換できれば（物理的に不可能だが）、 3 He 1モルあたりギガワット発電所の約30 分間の出力に相当する。したがって、年間の生産量（1 時間あたり 6 グラムの稼働）には 52.5 キログラムのヘリウム3が必要となる。大規模用途に必要な燃料の量は、総消費量で表すこともできる。2001 年の米国の 1 億 700 万世帯の電力消費量[ 77 ]は合計 1,140 億 kW·h であった（1.14 × 10 15  W⋅h）。ここでも変換効率を100%と仮定すると、米国のエネルギー需要のこのセグメントには年間6.7トンのヘリウム3が必要となり、より現実的なエンドツーエンドの変換効率を考慮すると年間15～20トンが必要となる。

制御された核融合発電への第二世代のアプローチは、ヘリウム3と重水素（2D）を結合させることです。この反応により、アルファ粒子と高エネルギー陽子が生成されます。この核融合反応が発電やその他の用途において持つ最も重要な潜在的な利点は、静電場を用いて燃料イオンと核融合陽子を制御できることです。正に帯電した粒子である高速陽子は、固体変換材料やその他の技術を用いることで、その運動エネルギーを電気に直接変換することができます。タービン駆動の発電機を駆動するために陽子エネルギーを熱に変換する必要がないため、70%の変換効率が実現可能となる可能性があります。

He-3発電所

ヘリウム3核融合発電所の能力については多くの主張がなされてきた。支持者によると、重水素とヘリウム3を燃料とする核融合発電所は、技術的な複雑さが少なく、変換効率が高く、規模が小さく、放射性燃料を必要とせず、大気汚染や水質汚染がなく、放射性廃棄物の処分要件も低レベルであるため、競合する発電所よりも資本コストと運転コストが低くなるという。最近の推計では、最初のヘリウム3核融合発電所の開発と建設には約60億ドルの投資資本が必要になると示唆されている。現在の卸電力価格（1キロワット時あたり5米セント）で損益分岐点に達するには、1ギガワットの発電所5基が稼働し、古い従来型発電所を置き換えたり、新たな需要に対応したりする必要がある。 [ 78 ]

現実はそれほど単純ではない。世界で最も先進的な核融合プログラムは、慣性閉じ込め核融合（国立点火施設など）と磁場閉じ込め核融合（ ITERやウェンデルシュタイン7-Xなど）である。前者の場合、発電への確固としたロードマップはない。後者の場合、商業発電は2050年頃まで期待されていない。[ 79 ]どちらの場合も、議論されている核融合の種類は最も単純なD-T核融合である。その理由は、この反応のクーロン障壁が非常に低いためである。D+ 3 Heの場合、障壁ははるかに高く、3 He- 3 Heの場合はさらに高くなります。ITERや国立点火施設のような原子炉の莫大なコストは、主にその巨大なサイズによるものであるが、より高いプラズマ温度にスケールアップするには、それよりはるかに大きな原子炉が必要になる。 D- 3He核融合から得られる14.7MeVの陽子と3.6MeVのアルファ粒子、そして高い変換効率により、D-T核融合（17.6MeV）よりも1キログラムあたりの電力は多くなりますが、それほど大きな差はありません。さらに欠点として、ヘリウム3核融合反応の反応速度はそれほど高くないため、同じ量の電力を生成するには、さらに大型の原子炉、あるいはより多くの原子炉が必要になります。

2022年、ヘリオン・エナジーは、7番目の核融合プロトタイプ（ポラリス、2022年9月時点で完全に資金提供され建設中）が「核融合からの正味電力」を実証し、「特許取得済みの高効率密閉燃料サイクル」によって「重水素-重水素核融合によるヘリウム3の生成」を実証すると主張した。[ 80 ]

He-3の代替品

はるかに困難なD- 3He核融合はおろか、D-T核融合でさえ経済的に採算が取れない可能性のある超大型発電所の問題を回避するため、フューザー、ポリウェル、フォーカス核融合など、様々な原子炉が提案されてきた。しかし、これらのコンセプトの多くは、純エネルギー利得の達成に根本的な問題を抱えており、一般的に熱不平衡状態で核融合を達成しようとするため、実現不可能となる可能性もある。[ 81 ]そのため、これらの実現困難なプログラムは、予算が少ないにもかかわらず資金調達に苦労する傾向がある。「大型」で「高温」な核融合システムとは異なり、もしこのようなシステムが機能すれば、より高い障壁を持つ中性子燃料に拡張できるため、支持者はヘリウム3などの特殊な燃料を必要としないpB核融合を推進する傾向がある。

参照

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